Dạng chiếu Haworth (Haworth projection)

Đặc điểm của dạng chiếu Haworth

Dưới đây là một số đặc điểm chính của dạng chiếu Haworth:

• Vòng: Vòng được vẽ như một hình lục giác hoặc ngũ giác phẳng, hơi nghiêng so với mặt phẳng giấy. Vòng sáu cạnh thường được dùng cho pyranose (đường 6 cạnh), vòng năm cạnh cho furanose (đường 5 cạnh). Đường dày hơn ở phía gần người xem giúp tạo cảm giác ba chiều.
• Cacbon anomeric: Cacbon anomeric (C1 đối với aldose và C2 đối với ketose) là nguyên tử cacbon được gắn với hai nguyên tử oxy. Vị trí của nhóm hydroxyl (-OH) trên cacbon anomeric quyết định dạng anomer: $\alpha$ (alpha) hoặc $\beta$ (beta).
• Dạng $\alpha$ và $\beta$:
  • $\alpha$: Nhóm hydroxyl (-OH) trên cacbon anomeric nằm ở phía dưới mặt phẳng của vòng (hướng ngược với nhóm CH₂OH ở cacbon cuối cùng đối với D-đường, và cùng hướng với nhóm CH₂OH đối với L-đường).
  • $\beta$: Nhóm hydroxyl (-OH) trên cacbon anomeric nằm ở phía trên mặt phẳng của vòng (hướng cùng với nhóm CH₂OH ở cacbon cuối cùng đối với D-đường, và hướng ngược với nhóm CH₂OH đối với L-đường).
• Các nhóm thế khác: Các nhóm thế khác (-OH, -CH₃, etc.) cũng được biểu diễn ở phía trên hoặc dưới mặt phẳng của vòng. Vị trí của chúng được xác định bởi cấu hình của phân tử ban đầu ở dạng mạch hở. Thông thường, các nhóm ở bên phải trong dạng mạch hở Fischer sẽ được vẽ ở phía dưới trong dạng chiếu Haworth, và các nhóm ở bên trái trong dạng mạch hở Fischer sẽ được vẽ ở phía trên trong dạng chiếu Haworth. Lưu ý rằng quy tắc này áp dụng cho D-đường; đối với L-đường, vị trí sẽ ngược lại.

So sánh với dạng ghế

Dạng chiếu Haworth đơn giản hơn dạng ghế, tuy nhiên nó không thể hiện chính xác góc liên kết và hình dạng thật của vòng. Dạng ghế (chair conformation) chính xác hơn trong việc mô tả cấu trúc ba chiều thực tế của phân tử, thể hiện được góc liên kết tetrahedral (khoảng 109.5 độ) và sự phân bố không gian của các nhóm thế, giảm thiểu tương tác steric. Tuy nhiên, dạng ghế phức tạp hơn để vẽ và hình dung, đặc biệt là với những phân tử carbohydrate lớn. Do đó, dạng chiếu Haworth vẫn được sử dụng rộng rãi do tính đơn giản và dễ hình dung của nó, đặc biệt là khi so sánh cấu trúc của các carbohydrate khác nhau.

Ví dụ

Dưới đây là ví dụ về $\alpha$-D-glucopyranose và $\beta$-D-glucopyranose trong dạng chiếu Haworth:

(Hình ảnh minh họa $\alpha$-D-glucopyranose và $\beta$-D-glucopyranose ở dạng chiếu Haworth sẽ được đặt ở đây. Do hạn chế của text-based interface, bạn có thể tìm kiếm hình ảnh trên internet bằng từ khóa “Haworth projection of glucose”).

Ứng dụng

Dạng chiếu Haworth được sử dụng rộng rãi trong hóa học carbohydrate để biểu diễn cấu trúc của các monosaccharide, disaccharide, và polysaccharide. Nó giúp dễ dàng hình dung sự khác biệt giữa các dạng anomer ($\alpha$ và $\beta$) và cấu trúc của các liên kết glycosidic giữa các đơn vị đường. Việc biểu diễn này rất hữu ích trong việc hiểu các phản ứng hóa học và các tính chất sinh học của carbohydrate, ví dụ như sự khác biệt về khả năng tiêu hóa giữa tinh bột (liên kết $\alpha$-glycosidic$) và cellulose (liên kết $\beta$-gly\cosidic$).

Hạn chế

Dạng chiếu Haworth là một biểu diễn đơn giản hóa, không thể hiện chính xác góc liên kết và hình dạng không gian thực tế của vòng. Các góc liên kết trong vòng không phải là 90 độ như được thể hiện trong dạng chiếu, mà gần với góc tetrahedral (109.5 độ). Nó cũng không hiển thị sự linh động của vòng, vốn có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau ngoài dạng ghế và dạng thuyền. Vòng carbohydrate không phẳng mà tồn tại ở dạng ba chiều, thường là dạng ghế hoặc dạng thuyền để giảm thiểu sức căng vòng và tương tác steric.

Tóm tắt

Tóm lại, dạng chiếu Haworth là một công cụ hữu ích để biểu diễn cấu trúc vòng của carbohydrate, giúp dễ dàng hình dung vị trí tương đối của các nhóm thế và phân biệt các dạng anomer. Tuy nhiên, cần nhớ rằng đây chỉ là một biểu diễn đơn giản hóa và không phản ánh hoàn toàn cấu trúc ba chiều thực tế của phân tử. Đối với việc nghiên cứu chi tiết về cấu trúc và tính chất của carbohydrate, dạng chiếu ghế cung cấp thông tin chính xác hơn.

Từ Dạng Fischer sang Dạng Haworth

Việc chuyển đổi từ dạng Fischer (dạng mạch thẳng) sang dạng Haworth (dạng vòng) cần tuân theo một số quy tắc nhất định:

1. Xác định kích thước vòng: Vòng thường được hình thành giữa nhóm aldehyde (ở C1 đối với aldose) hoặc ketone (ở C2 đối với ketose) và nhóm hydroxyl (-OH) trên cacbon thứ tư hoặc thứ năm, tạo thành vòng 5 cạnh (furanose) hoặc 6 cạnh (pyranose) tương ứng.
2. Vòng hóa: Tưởng tượng việc uốn cong mạch cacbon sao cho nhóm hydroxyl tương tác được với nhóm carbonyl. Phản ứng giữa nhóm hydroxyl và carbonyl tạo thành hemiacetal (đối với aldose) hoặc hemiketal (đối với ketose), đồng thời hình thành cacbon anomeric.
3. Định hướng các nhóm thế: Như đã đề cập, các nhóm ở bên phải trong dạng Fischer thường được vẽ ở dưới trong dạng Haworth, và các nhóm ở bên trái trong dạng Fischer thường được vẽ ở trên trong dạng Haworth cho D-đường. Đối với L-đường, quy tắc này ngược lại. Lưu ý quy tắc này có thể đảo ngược tùy vào cách vẽ vòng và cách đánh số cacbon. Điều quan trọng là duy trì cấu hình tương đối của các nhóm thế.
4. Xác định dạng anomer ($\alpha$ hay $\beta$): Vị trí của nhóm hydroxyl (-OH) trên cacbon anomeric sẽ xác định dạng anomer.

Mở rộng cho các Disaccharide và Polysaccharide

Dạng chiếu Haworth cũng rất hữu ích để biểu diễn cấu trúc của disaccharide và polysaccharide. Nó cho thấy cách các monosaccharide liên kết với nhau thông qua liên kết glycosidic. Liên kết glycosidic được hình thành giữa nhóm hydroxyl anomeric của một monosaccharide và một nhóm hydroxyl của monosaccharide khác. Kiểu liên kết (ví dụ: $\alpha(1\rightarrow4)$, $\beta(1\rightarrow4)$) được ghi rõ trong dạng chiếu Haworth.

Ví dụ về Disaccharide

(Hình ảnh minh họa một disaccharide như maltose hoặc lactose trong dạng chiếu Haworth sẽ được đặt ở đây. Do hạn chế của text-based interface, bạn có thể tìm kiếm hình ảnh trên internet bằng từ khóa “Haworth projection of maltose” hoặc “Haworth projection of lactose”).

Lưu ý quan trọng về tính chính xác

Dạng chiếu Haworth là một biểu diễn đơn giản hóa, hữu ích cho việc hình dung cấu trúc carbohydrate. Tuy nhiên, nó không phản ánh chính xác góc liên kết và hình dạng ba chiều thực tế của vòng. Trong thực tế, vòng pyranose thường tồn tại ở dạng ghế (chair conformation), chứ không phải dạng phẳng như trong dạng chiếu Haworth. Dạng ghế ổn định hơn dạng thuyền do giảm thiểu tương tác 1,3-diaxial.

• Vollhardt, K. P. C., & Schore, N. E. (2018). Organic Chemistry: Structure and Function. W. H. Freeman and Company.
• Wade, L. G. Jr. (2017). Organic Chemistry. Pearson Education.
• McMurry, J. (2016). Organic Chemistry. Cengage Learning.
• Clayden, J., Greeves, N., Warren, S., & Wothers, P. (2012). Organic Chemistry. Oxford University Press.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao dạng chiếu Haworth lại được ưa chuộng hơn dạng Fischer khi biểu diễn cấu trúc vòng của carbohydrate?

Trả lời: Dạng chiếu Haworth thể hiện rõ ràng cấu trúc vòng của carbohydrate, bao gồm vị trí của các nhóm thế so với mặt phẳng vòng và dạng anomer (α hay β). Trong khi đó, dạng Fischer là dạng mạch thẳng, không thể hiện được các đặc điểm này. Dạng Haworth giúp dễ dàng hình dung và so sánh cấu trúc của các carbohydrate khác nhau ở dạng vòng.

Làm thế nào để xác định dạng anomer (α hay β) trong dạng chiếu Haworth của một D-aldohexose?

Trả lời: Đối với một D-aldohexose, hãy quan sát nhóm hydroxyl (-OH) trên cacbon anomeric (C1). Nếu nhóm -OH nằm ở phía dưới mặt phẳng vòng (hướng ngược với nhóm CH₂OH ở C5), đó là dạng α. Nếu nhóm -OH nằm ở phía trên mặt phẳng vòng (cùng hướng với nhóm CH₂OH ở C5), đó là dạng β.

Sự khác biệt về tính chất hóa học giữa dạng α và β của một monosaccharide là gì?

Trả lời: Sự khác biệt chính nằm ở tính khử. Dạng mạch hở của monosaccharide có tính khử do có nhóm aldehyde hoặc ketone tự do. Trong dạng vòng, chỉ có một phần nhỏ phân tử tồn tại ở dạng mạch hở, và cân bằng này ảnh hưởng đến tính khử. Tuy nhiên, sự khác biệt về tính khử giữa dạng α và β thường không đáng kể. Sự khác biệt quan trọng hơn nằm ở khả năng tạo liên kết glycosidic và do đó ảnh hưởng đến cấu trúc của các oligosaccharide và polysaccharide.

Ngoài dạng ghế và dạng thuyền, còn dạng nào khác của vòng pyranose không? Tại sao dạng ghế lại phổ biến hơn?

Trả lời: Ngoài dạng ghế và dạng thuyền, vòng pyranose còn có các dạng xoắn (skew, half-chair). Tuy nhiên, dạng ghế là dạng ổn định nhất do ít bị lực đẩy không gian giữa các nguyên tử trong phân tử. Trong dạng ghế, các nhóm thế có thể nằm ở vị trí trục (axial) hoặc xích đạo (equatorial). Vị trí xích đạo ít bị lực đẩy không gian hơn, nên dạng ghế có nhiều nhóm thế ở vị trí xích đạo sẽ ổn định hơn.

Liên kết glycosidic là gì và nó có vai trò như thế nào trong cấu trúc của polysaccharide?

Trả lời: Liên kết glycosidic là liên kết cộng hóa trị được hình thành giữa nhóm hydroxyl anomeric của một monosaccharide và một nhóm hydroxyl của một monosaccharide khác. Liên kết này là cầu nối giữa các đơn vị monosaccharide để tạo thành disaccharide, oligosaccharide và polysaccharide. Kiểu liên kết glycosidic (ví dụ, α(1→4), β(1→4)) quyết định cấu trúc và tính chất của polysaccharide. Ví dụ, cellulose (liên kết β(1→4)) có cấu trúc thẳng và bền vững, trong khi amylose (liên kết α(1→4)) có cấu trúc xoắn.